„Wir sehen ungewöhnliche Filamente in Radiogalaxien“

Welt der Physik: Was für eine Art von Radioteleskop ist LOFAR?

Marcus Brüggen: Bei Radioteleskopen denkt man meist an große, schwenkbare Schüsseln – wie etwa beim bekannten Radioteleskop Effelsberg mit seinen 100 Metern Durchmesser. LOFAR hingegen besteht nicht aus einer Schüssel, sondern aus vielen kleinen Antennen, die auf 52 Stationen in ganz Europa verteilt sind.

Marcus Brüggen

Allein in Deutschland haben wir sechs LOFAR-Stationen. Die Antennen sind aber nicht beweglich, sondern fest installiert. Stattdessen rastern wir den Himmel ab, indem wir die Ankunftszeiten der Signale immer an Paaren von Antennen miteinander vergleichen. Dadurch können wir die Herkunftsrichtung der Signale bestimmen und sehr genaue Himmelskarten anfertigen. Da wir die Analyse mit Computern machen, braucht es sehr viel Computerpower. Der Vergleich von Antennenpaaren ist aber sehr praktisch, weil man keine beweglichen Teile braucht. Viele moderne Radare nutzen deshalb ebenfalls diese „Phased-Array-Technik“.

Welche Informationen lassen sich damit für die Astronomie gewinnen?

LOFAR ist im Vergleich zu den meisten Radioteleskopen auf besonders niedrige Frequenzen spezialisiert. Der Radiobereich umfasst ja viele Frequenzbänder und die meisten Radioteleskope arbeiten im Gigahertz-Bereich. Mit LOFAR können wir besonders niederenergetische Radiostrahlung im Megahertz-Bereich beobachten, wo auch das UKW-Radio angesiedelt ist. Quellen, die in diesem Bereich sichtbar sind, senden zum Beispiel sogenannte Synchrotronstrahlung aus. Diese stammt von hochenergetischen Elektronen, die im All von starken Magnetfeldern abgelenkt und dadurch zum Strahlen angeregt werden. Das gibt uns Hinweise auf die physikalischen Bedingungen an ganz unterschiedlichen Orten. Für unseren neuen Himmelskatalog haben wir 13 000 Stunden Beobachtungszeit analysiert und insgesamt 13,7 Millionen Objekte gefunden.

Welche Himmelsobjekte sieht man mit LOFAR besonders gut?

Wir unterscheiden zwischen den Quellen in der Milchstraße, wo wir einzelne Objekte beobachten können, und Quellen in den Tiefen des Alls, also entfernten Galaxien. In der Milchstraße sehen wir vor allem Quellen mit sehr starken Magnetfeldern, das heißt Pulsare und Supernova-Überreste. Pulsare sind schnell rotierende Neutronensterne, die Elektronen in ihrer Umgebung wegen ihrer enormen Magnetfelder zu einer starken Emission von Synchrotronstrahlung veranlassen. Und Supernova-Überreste bestehen aus einer rasch expandierenden Gaswolke, die auf das umliegende interstellare Medium trifft und dabei Stoßfronten ausbildet. Dort herrschen turbulente Plasmaverwirbelungen mit starken Magnetfeldern, was ebenfalls für Synchrotronstrahlung sorgt.

Mosaik aus Galaxien

Und welche Phänomene können Sie außerhalb der Milchstraße beobachten?

Wenn wir tiefer ins All schauen, sehen wir vor allem Radiogalaxien und sogenannte Starburst-Galaxien, in denen besonders intensive Sternentstehung stattfindet. Das stärkste Signal liefern die Radiogalaxien: Diese haben im Zentrum ein aktives supermassereiches Schwarzes Loch, das intensive Teilchenjets quer durch die Galaxie schießt. Auch hier kommt es zu Stoßfronten, Verwirbelungen und riesigen, ausgedehnten Magnetfeldern, die Elektronen zur Emission von Synchrotronstrahlung anregen. Solche Radiogalaxien machen den größten Teil unserer Quellen aus.

Gibt es auch ungewöhnliche Objekte?

Schon seit einigen Jahren sind die sogenannten „Odd Radio Circles“ bekannt. Dies sind diffuse, kreisförmige Radioquellen, deren Ursprung bislang noch völlig unbekannt ist und zu denen es ganz unterschiedliche Spekulationen gibt. Und wir können mit LOFAR auch ungewöhnliche Filamente in Radiogalaxien und anderen Quellen sehen. Vermutlich wird dort das galaktische Plasma durch Magnetfelder gelenkt, die oft in Fasern gebündelt sind. Die genauen Mechanismen dahinter werden gegenwärtig aber noch diskutiert. Wir hoffen, mit den Daten von LOFAR zur Klärung dieser Fragen beizutragen.

Welche besonderen Schwierigkeiten gibt es bei Beobachtungen mit solch niedrigen Frequenzen?

Einfache Dipolantennen

Wir messen in zwei Bereichen, einmal bei rund 30 bis 80 Megahertz, und wieder bei 120 bis 240 Megahertz, sodass das UKW-Band unserer Radios ausgespart ist. Eine generelle Schwierigkeit liegt darin, dass die Ionosphäre – also die Schicht der Erdatmosphäre in rund 200 Kilometern Höhe – bei diesen Frequenzen nicht ganz transparent ist. In diesem Bereich der Atmosphäre gibt es Verwirbelungen und Magnetfelder, welche die kosmischen Signale verzögern und verfälschen, und zwar besonders stark bei sehr niedrigen Frequenzen. Zusätzlich liegen Hunderte Kanäle für den Funkverkehr im Frequenzbereich von LOFAR. Diese müssen wir natürlich herausfiltern. Das geht aber ganz gut, weil diese Frequenzen genau bekannt und eng definiert sind. Dazu kommen aber noch Störungen durch breitbandige Ereignisse wie Blitze oder Funkenschläge. So gibt es etwa in der Nähe einer unserer Stationen eine Pferdekoppel, deren elektrischer Zaun hin und wieder Funkenschläge verursacht. Man glaubt es kaum, aber auch das stört unsere Beobachtungen. Und da unsere Antennenstationen auf dem Boden stehen, hatten wir auch mit Mäusen zu tun, die sich bei den Antennen eingenistet hatten. Dieses Problem konnten wir dadurch beheben, dass wir dort hohe, hölzerne Sitzstangen für Greifvögel errichtet haben. Man muss sich als Radioastronom also durchaus auch um irdische Dinge kümmern.

Wie lässt sich die Qualität Ihrer Messungen weiter verbessern?

Wir nutzen schon sehr viel Computerpower, um das Beste aus unseren Daten herauszuholen. Die Rohdaten werden in einem Rechenzentrum in den Niederlanden verarbeitet und anschließend unter anderem von Supercomputern in Jülich sowie in Polen weiter aufbereitet und in Bilder umgewandelt. Diese stellen wir der weltweiten Astronomiegemeinde zur Verfügung – also auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in Ländern, in denen nicht genügend Mittel für eigene Radioteleskope vorhanden sind. Aber wir sind gegenwärtig auch dabei, unsere eigenen Stationen aufzurüsten und neue Receiver einzubauen. Mit diesem Upgrade namens „LOFAR 2.0“ wollen wir insbesondere bei sehr niedrigen Frequenzen noch empfindlicher werden. Dann werden wir eine neue Himmelskarte im niederfrequenten Radiobereich für die nördliche Hemisphäre erstellen. In Südafrika und Australien wird gerade ein komplementäres Radioteleskop gebaut, das Square Kilometre Array Observatory, kurz SKAO. Ein Teil davon wird die südliche Hemisphäre bei ähnlichen Frequenzen, wenn auch nicht mit derselben Schärfe, durchmustern – so wie LOFAR es am Nordhimmel tut. Deutschland ist mittlerweile auch beim SKAO dabei, was uns sehr freut. Denn wir können unsere Expertise mit LOFAR auch dort einbringen.